江苏某风电厂风机桩基础选型分析

朱国锋

北京乾华科技发展有限公司 南京

风力发电作为一种清洁能源，近期受到国家政策的大力支持。风力发电机的基础在风电场投资中占较大比重。本文以江苏某风力发电场为例，探讨了设计过程中，如何合理选择风机桩基础从而合理节省工程造价。

1.工程地质情况

1.1 场地地形及地貌单元

拟建场地原为农田，现为待建场地，地形平坦，地貌单元属于海积平原,地层分布较稳定。

1.2岩土体单元结构与类型

据钻探取样和原位测试显示，拟建场地土层自上而下可分为15层，分别描述如下：

（1）素填土：灰褐色，松散，主要由粘性土组成，土质不均匀，表层含大量植物根系。

（2）粘土：灰褐色，可塑，土质较均匀，见铁锰质渲染，干强度高，无摇振反应。

（3）淤泥：灰色-灰青色，饱和，流塑，土质细腻，有臭味，切面光滑，有光泽，干强度高，韧性高，无摇震反应。

（4）粉质粘土夹砂：灰黄色，可塑，局部软塑，土质不均匀，局部夹粉细砂薄层，单层层厚5-35cm，干强度中等，韧性中等，无摇震反应。

（5）黏土夹砂：黄褐色，可塑，土质较均匀，含少量铁锰质氧化物，切面光滑，局部夹粉细砂薄层，单层厚度5-30cm，干强度高，韧性高，无摇振反应。

（6）细砂：灰黄色，饱和，中密，颗粒均匀，分选性好，级配差，砂质不纯，局部夹有薄层粘性土，单层厚度5-30cm，砂粒呈圆形及亚圆形，主要由长石、石英及云母颗粒组成。

（7）细砂：灰黄色，饱和，密实，颗粒均匀，分选性好，级配差，砂质不纯，局部夹有薄层粘性土，单层厚度5-35cm，砂粒呈圆形及亚圆形，主要由长石、石英及云母颗粒组成。

（8）细砂：灰黄色，饱和，密实，颗粒均匀，分选性好，级配差，砂质不纯，局部夹有薄层粘性土，单层厚度5-20cm，砂粒呈圆形及亚圆形，主要由长石、石英及云母颗粒组成。

（8）-1细砂夹粉质粘土：灰黄色，饱和，中密，颗粒均匀，分选性好，级配差，砂质不纯，局部夹有薄层粉质粘土，呈层状，层厚5-30cm，砂粒呈圆形及亚圆形，主要由长石、石英及云母颗粒组成。

（9）细砂：青灰色，饱和，密实，颗粒均匀，分选性好，级配差，砂质不纯，砂粒呈圆形及亚圆形，主要由长石、石英及云母颗粒组成。

（10）含砂粉质粘土：灰褐色，可塑，土质较均匀，切面较粗糙，局部混大量粉细砂团块，干强度及韧性中等，无摇震反应。

（11）粉质黏土:灰色，软塑-可塑，土质不均匀，切面较粗糙，干强度及韧性中等，无摇震反应。

1.3地下水埋藏条件

本场地内地下水有两种类型，其一为埋藏于第～层中的潜水，主要受大气降水和附近地表水渗入补给，并随季节变化而有所升降，据调查地下水位年变幅不大于1.0米，勘探期间测得地下水的稳定水位埋深为0.10～1.50米，平均1.00米，相应平均标高2.04米。常年高水位约在自然地面下0.30m，低水位约在自然地面下1.80m，水位最大变化幅度约1.50m。据地区水文地质资料，最高洪水位3.50米（1985国家高程基准）。

1.4地震、场地土类别及地基土的地震效应

根据《建筑抗震设计规范》【GB50011-2010】（2016年版）的规定，拟建区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，所属的设计地震分组为第三组。

2.风机基础设计

2.1工程等别

本期工程计划装机容量为 150.0MW，风机单机容量为 2.0MW，轮彀高度 100m，共 75 台。根据《风电场工程等级划分及设计安全标准》（FD002-2007）第5.0.1 条规定，按照装机容量和变电站电压等级划分，本风电场工程等别为 II 等，工程规模为大（2）型。根据 FD002-2007 第 6.0.1 条规定，本工程建筑物结构安全等级为二级。

根据 FD002-2007 第 5.0.2 条规定，本工程 2.0MW 机组塔架地基基础设计级别为 1 级。根据 FD003-2007 第 5.0.5 条规定，本工程风电机组基础结构安全等级为 1 级。根据《建筑抗震设计规范》（2016年版）场区地震基本烈度为6 度，塔架基础的抗震设防类别为丙类，地震作用均应符合本地区抗震设防烈度的要求。基本地震加速度为 0.05g。

2.2风机基础设计参数

本工程采用金风121/2500机组，金风科技提供的作用于风机基础顶面的主要风机参数如下：

2.3地质情况分析及地基基础方案初步选型

鉴于地基土层上部分布有深厚软弱土层，本工程风电机组可采用桩基方案，桩型可采用预应力混凝土管桩或者灌注桩，桩基应同时满足抗压、抗拔等要求。桩基持力层可根据风机的具体位置选择层⑧、⑨、⑩作为基础持力层。层⑧工程性状一般，当作为持力层时，应进行必要的强度和变形验算；层⑨工程性状较好，但只有局部分布；层⑩工程性状一般，作为持力层时，应进行必要的强度和变形验算。

2.4 风机基础型式设计

风机塔架属于高耸建筑，作为风机塔架的基础，其所承受上部的水平风力和倾覆力矩较大，基础型式通常采用扩展基础和桩基基础两种形式。

从土层工程特性方面分析，本工程场区上部层③为欠固结土，承载力差，不宜作为风机基础持力层，层⑤粉砂与粉质粘土层的工程性能尚好，但是埋深较深，平均埋深为 20m，若是选用扩展基础，基坑开挖和基础施工较困难，采用桩基础可以直接打桩，基础下存在软土及欠固结土层③，根据本报告 8.2.1 中分析，综合考虑风机基础造价及施工情况，本工程选用承台灌注桩基础。

根据地勘报告，风机桩基础基桩主要以层⑧、⑨、⑩为桩端持力层，桩长范围大致为 33~41m，综合桩长约 37m。在进行基础经济比选时，以较具有代表性勘测孔的土层情况进行风机基础设计比选。

2.5不同桩径灌注桩经济性分析

当选用抗拔灌注桩时，桩径可以采用600mm或者800mm。桩端持力层为层粉质黏土夹粉土，桩长约 37m，单桩承载力特征值约为 1895kN。风机基础桩布置：风机基础下三圈布置，内圈 3 根构造桩，桩长37m，布置在基础环下，中间一圈 8 根工程桩，外圈 24 根工程桩，外圈直径 20m，外圈桩中心距承台边 800mm，满足构造要求。桩间距按不小于 3.0d 的要求布置。每个风机基础桩数共计为 32 根工程桩、3 根构造桩。具体桩基布置详见下图：

经过技经初步估算，桩径600mm和800mm的经济性分析详见下表：

表：风机基础桩径对比表

由上表可知，在上部风机荷载不变的情况下，单个风机基础选择桩径为800mm 的桩基及承台造价比桩径为 600mm 的桩基承台费用要低，在同等桩长条件下，桩单位立方米混凝土承载力直径 800 桩与直径 600桩要低。若考虑打桩费用，则 800 直径桩经济优势更为明显。综合比较桩基费用、承载力、长细比、桩数调整方便及灌注桩施工难易等因素，本工程推荐采用直径 800 灌注桩，桩基持力层可根据风机的具体位置选择层⑧、⑨、⑩作为基础持力层。层⑧工程性状一般，当作为持力层时，应进行必要的强度和变形验算；层⑨工程性状较好，但只有局部分布；层⑩工程性状一般，作为持力层时，应进行必要的强度和变形验算，桩端进入持力层深度≥2d。管桩规格为抗拔灌注桩 Φ800，平均桩长为 37m。

2.6灌注桩方案与管桩加搅拌桩方案比选

预应力混凝土管桩加水泥土搅拌桩方案

采用预应力混凝土管桩方案时，根据经验，需要尽量加大风机基础底板层台尺寸。根据地质资料，管桩暂选桩型：PHA500-AB-100，桩长预估为15m。单桩抗压承载力特征值：900kN，单桩抗拔承载力特征值：225kN，单桩水平承载力特征值：30kN。水泥土搅拌桩暂定桩径500mm。最外层第一层直径为17.4m处，布置72根水泥土搅拌桩；内侧第二层直径为16.0m处，布置24根水泥土搅拌桩；内侧第三层直径为14.25m处，布置24根水泥土搅拌桩；内侧第四层直径为12.50m处，布置12根管桩；最内侧基础环底部布置4根管桩。桩基布置方案详见下图：

经过技经初步估算，灌注桩方案与预应力混凝土管桩加水泥土搅拌桩方案经济性分析见下表：

表：风机基础不同桩型经济性对比表

根据上表经济性分析，采用直径为800mm灌注桩方案在满足基础安全的前提下，经济性最优。管桩加搅拌桩方案施工周期较短，可用于对施工周期有较高要求的工程。

3.0结束语

风力发电机塔架属于高耸结构，发电机基础受到较大的水平荷载、水平弯矩，动力特性复杂。在设计过程中将桩基尽量布置基础外侧更有利，但基桩往外布置的同时，需要扩大风机承台尺寸和厚度，相应地承台混凝土和钢筋用量会增加。在设计过程中需要认真比选，选用最经济的基桩型式。